CN109211342B - 一种气流流量计、mems硅基温敏芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS硅基温敏芯片，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，基底包括实体部分和第一通孔，第一通孔位于实体部分的中部，阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，阻热支撑层位于基底的上方，位于实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，温漂校准温敏电阻包括第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，气流感应温敏电阻包括第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于实体部分的上方，气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于第一通孔的上方。
Description
技术领域
本发明涉及微型电子机械技术领域，尤其涉及一种气流流量计、MEMS硅基温敏芯片及其制备方法。
背景技术
MEMS(Micro electro mechanical systems，微型电子机械系统)温敏流量计的基本原理是通过感应温敏材料表面因气流流过引起的温度变化来计量流体的流速。该类器件的核心结构为微型的温敏电阻丝。该电阻丝需要具有较高的电阻温敏系数数值以及线性的电阻随温度变化的规律。由于铂的体材料(bulk material)具有较高的电阻温敏系数(TCR(Temperature coefficient of resistance，电阻温敏系数)＝3.8×10-3/℃)，因此，铂金属常被用于加工温敏流量计的温敏电阻丝。该种温敏电阻丝工作时需要通电加热到一定温度，当气体流过加热的铂电阻丝表面时，散热作用会引起铂电阻丝结构的温度变化，从而引起温敏电阻丝的电阻变化，因此，可以利用这一原理测量气体的流速。随着IC工艺技术发展至今，衍生出利用半导体材料的工艺技术设计、加工各类传感器的方法。而基于这种半导体材料的微纳工艺技术加工出来的器件及其应用系统，称为MEMS，由这种工艺技术加工出的微纳结构尺寸更小、成本更低、灵敏度更高。目前，基于MEMS技术设计的温敏型流量传感器主要有：热损失型(hotwire)和温差式流量计/风速仪(differential calorimeter/anemometer)。单个加热温敏电阻丝芯片独立工作时为热损失型流量计。当两个温敏电阻丝共同工作、相互感应测量流体流速时组成的温敏流量计为温差式流量计/风速仪。
温差式流量计中的温敏芯片通常由铂温敏电阻丝、带小通孔阵列的阻热薄膜、带大通孔的基底三个主要部分组成，其主要通过温敏芯片感应气流对流引起的热损失来计量气流流速和方向。因而，保证温敏芯片的灵敏度的主要因素在于提高芯片对气流对流散热的感应，而抑制其他渠道的热损失。温敏芯片表面的热损失的来源除了气流对流(convection)以外，还有热导(conduction)和热辐射(radiation)二种。因此，该芯片的材料和结构设计需要使其对气流对流的热损失敏感，而抑制其热导和热辐射引起的热损失。而芯片表面的热辐射主要与材料种类有关，在设计一致的情况下，其热辐射引起的两芯片间温度差异可以忽略不计。该类芯片的热导引起的热损失是影响该温敏芯片灵敏度的主要原因。设U为传导的热量，k为介质材料的热传导率，A为介质材料的横截面积，Δx为导热介质材料长度，根据公式U＝kA/Δx可以看出，介质材料传导的热量与传导介质的横截面成正比关系、与传导的长度成反比关系。因此，可以通过结构设计优化热传导造成的损失。
日本Horiba公司在专利US6320192 B1中公开了一种红外分析仪用探测器、流量探测器及其制造方法，提出了一般采用例如MgO(85％的热导率为0.067W/mK)，或者可采用玻璃(热导率0.95～1.4W/mK)或石英等热绝缘性较好的材料作为温度器件的基底材料。但是这种材料成本较高，刻蚀难度大，不易控制图形精度，加工稳定性差，不易于批量加工。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏度的MEMS硅基温敏芯片，还提供了一种工艺简单的MEMS硅基温敏芯片的制备方法及一种可以测量气体流量大小和方向的气流流量计。
本发明提供一种MEMS硅基温敏芯片，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，所述基底包括实体部分和第一通孔，所述第一通孔位于实体部分的中部，所述阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，所述阻热支撑层位于基底的上方，位于基底的实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，所述温漂校准温敏电阻包括用于压焊的第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述第一压焊图形和温漂校准温敏电阻丝串联，所述第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，所述温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻包括用于压焊的第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述第二压焊图形和气流感应温敏电阻丝串联，所述第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于基底的第一通孔的上方。
进一步地，所述基底为单晶硅晶圆，所述基底的厚度为300微米。
进一步地，位于所述基底的第一通孔的上方的阻热支撑层上设有若干第二通孔而形成悬臂梁，所述悬臂梁包括四个悬臂，所述悬臂的形状为长宽比大于1的L型或圆心角为90度的圆弧。
进一步地，所述温漂校准温敏电阻丝和第一压焊图形由铂制得，所述温漂校准温敏电阻丝的阻值为600～1000欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/℃，所述第一压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。
进一步地，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形均由铂制得，所述气流感应温敏电阻丝的阻值为200～300欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/℃，所述第二压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。
本发明还提供一种MEMS硅基温敏芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1，通过热氧法在基底的表面生长二氧化硅层；
S2，通过低压化学气相沉积法在所述二氧化硅层上形成第一介质层；
S3，在第一介质层上制备铂层以形成温漂校准温敏电阻，所述温漂校准温敏电阻包括第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述温漂校准温敏电阻丝与第一压焊图形串联；
S4，通过低压化学气相沉积法在第一介质层上沉积第二介质层；
S5，在第二介质层上制备铂层以形成气流感应温敏电阻，所述气流感应温敏电阻包括第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形串联；
S6，利用氧气干法刻蚀刻穿二氧化硅层、第一介质层和第二介质层；
S7，利用氧气干法刻蚀刻穿第一压焊图形位置处的第二介质层，露出温漂校准温敏电阻的第一压焊图形；
S8，利用湿法刻蚀刻穿二氧化硅层正下方的基底，释放悬臂梁。
进一步地，所述二氧化硅层的厚度为1～2微米，所述第一介质层的厚度为1～2微米，所述第二介质层的厚度为1～2微米，所述第一介质层和第二介质层的材料为氮化硅或氮化硅与二氧化硅的混合物。
进一步地，所述第一介质层上制备的铂层的厚度为300纳米或500纳米。
进一步地，所述第二介质层上制备的铂层的厚度为300纳米或500纳米。
本发明还提供一种气流流量计，包括上述MEMS硅基温敏芯片或利用上述制备方法制备的MEMS硅基温敏芯片，所述MEMS硅基温敏芯片的数量为两个且结构尺寸一致，所述两个MEMS硅基温敏芯片以气流感应温敏电阻丝镜面对称的方式平行相对，所述两个MEMS硅基温敏芯片之间放置300微米厚的PCB板作为感应距离的隔板。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)本发明提供的MEMS硅基温敏芯片基于单晶硅晶圆进行加工，更适用于量产，有利于降低单个芯片的成本；
(2)本发明提供的MEMS硅基温敏芯片通过形成500纳米厚的气流感应温敏电阻，将气流感应温敏电阻的电阻温度系数保持在2.8×10-3～3.4×10-3/℃，有效提高了芯片的温度感应灵敏度；
(3)本发明提供的MEMS硅基温敏芯片通过阻热支撑层的材料选择和结构设计有效降低了芯片上热传导引起的损失，提高温度感应的灵敏度；
(4)本发明提供的MEMS硅基温敏芯片通过在阻热支撑层之间设置另一层温漂校准温敏电阻，能够校准芯片本身的温漂，从而提高芯片温度感应灵敏度；
(5)本发明提供的气流流量计通过PCB板电气键合两个MEMS硅基温敏芯片，可以有效保护温敏芯片上的阻热支撑层，避免阻热支撑层受外力破坏，PCB板具有较低的热导率，可以抑制两个MEMS硅基温敏芯片之间的热量传导，提高气流流速测量的灵敏度，同时，由于不需要引线焊接的电气组装，芯片本身不需要额外制备引线压焊用途的金或铝金属，从而降低了成本。
附图说明
图1是本发明一种MEMS硅基温敏芯片的剖面示意图。
图2是本发明实施例1的MEMS硅基温敏芯片的平面俯视结构图。
图3是本发明实施例2的MEMS硅基温敏芯片的平面俯视结构图。
图4是本发明一种MEMS硅基温敏芯片的制备方法的流程示意图。
图5是本发明一种MEMS硅基温敏芯片的制备过程示意图。
图6是本发明的气流流量计的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例1提供了一种MEMS硅基温敏芯片，图1是本发明实施例1提供的MEMS硅基温敏芯片的剖面示意图，图2是本发明实施例1的MEMS硅基温敏芯片的平面俯视结构图，其中图1是图2沿A-A’剖面线的剖视图，如图1和图2所示，本发明实施例1提供的MEMS硅基温敏芯片包括基底1、阻热支撑层2、温漂校准温敏电阻3和气流感应温敏电阻4，基底1为单晶硅晶圆，其厚度为300微米，基底1包括第一通孔11和实体部分12，,第一通孔11位于实体部分12的中部，第一通孔11的形状为圆形，阻热支撑层2由多种介质层材料制备而成，阻热支撑层2位于基底1的上方，且连接在基底1和气流感应温敏电阻4之间，阻热支撑层2用以降低热传导引起的热量流失作用，位于基底1的实体部分12的上方的阻热支撑层2上开设有凹槽22，位于第一通孔11的上方的阻热支撑层2上设有若干第二通孔21而形成悬臂梁5，第二通孔21均匀排列，悬臂梁5包括四个均匀分布的悬臂51，悬臂梁5的形状为直径不大于1毫米的圆形，悬臂51的形状为圆心角为90度的圆弧，悬臂51的内端连接阻热支撑层2位于第一通孔11上方的部分，悬臂51的外端连接阻热支撑层2位于实体部分12上方的部分。
温漂校准温敏电阻3包括若干条平行并均匀间隔排列的条状的温漂校准温敏电阻丝31和用于压焊的第一压焊图形32，温漂校准温敏电阻丝31和第一压焊图形32串联，第一压焊图形32位于凹槽22内，温漂校准温敏电阻丝31设置在阻热支撑层2的内部，并位于基底1的实体部分12的上方，温漂校准温敏电阻丝31的上表面和下表面均与阻热支撑层2接触，温漂校准温敏电阻丝31为宽度一致、往复盘绕的细长线条，第一压焊图形32的上表面露出，第一压焊图形32为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形，温漂校准温敏电阻丝31和第一压焊图形32均由铂制得，温漂校准温敏电阻丝31的阻值为600～1000欧姆,优选为600～900欧姆，温漂校准温敏电阻丝31的总长度与宽度的比值不小于450，电阻温敏系数(TCR)为2.8×10-3～3.4×10-3/℃。
气流感应温敏电阻4包括若干条平行并均匀间隔排列的条状的气流感应温敏电阻丝41和用于压焊的第二压焊图形42，气流感应温敏电阻丝41连接在阻热支撑层2上，并位于第一通孔11的上方，第二压焊图形42连接在阻热支撑层2上，并位于基底1的实体部分12的上方，气流感应温敏电阻丝41从一对相对的悬臂51上延展到第二压焊图形42上，气流感应温敏电阻丝41为宽度一致、往复盘绕的细长线条，第二压焊图形42为边长不超过1mm或直径不超过1mm的圆形，气流感应温敏电阻丝41和第二压焊图形42均由铂制得，气流感应温敏电阻丝41的阻值为200～300欧姆，总长度与宽度的比值不小于150，电阻温敏系数(TCR)为2.8×10-3～3.4×10-3/℃。
图3是本发明实施例2提供的MEMS硅基温敏芯片的平面俯视结构图，实施例2中，基底1的第一通孔11的形状为正方形，悬臂梁5的形状为或边长不大于1毫米的正方形，悬臂51的形状为长宽比大于1的L型。
参考图4和图5，本发明的实施例还提供了上述MEMS硅基温敏芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过热氧法在基底1的表面生长厚度为1～2微米的二氧化硅层，基底1为单晶硅晶圆，基底1的厚度为300微米。
步骤S2，通过低压化学气相沉积法(Low pressure chemical vaporousdeposition，LPCVD)在二氧化硅层上形成厚度为1～2微米的第一介质层，第一介质层的材料为氮化硅或二氧化硅与氮化硅的混合物，氮化硅可以单次沉积也可以分多次沉积，各次沉积的氮化硅应具有相反的残余应力，使1～2微米厚的氮化硅层具有近于0的残余应力，氮化硅和二氧化硅交替沉积时，二氧化硅和氮化硅应具有反向的残余应力，使利用氮化硅或二氧化硅的混合物制备的第一层介质层具有近于0的残余应力。
步骤S3，在第一介质层上制备300纳米厚或500纳米厚的铂层以形成温漂校准温敏电阻3，通过lift-off方法洗去多余的面积，温漂校准温敏电阻3包括若干条往复盘绕的温漂校准温敏电阻丝31以及用于压焊的第一压焊图形32，温漂校准温敏电阻丝31与第一压焊图形32串联；
在第一介质层上制备铂层的方法可以选用电蒸或磁控溅射的方法，当采用磁控溅射的方法制备时，先在第一介质层上溅射一层厚度不大于30纳米的钛，形成第一钛粘合层，然后通过磁控溅射的方法在第一钛粘合层上溅射一层厚度为500纳米的铂；当采用电蒸的方法制备时，先在第一介质层上蒸发沉积15纳米厚的第一铬层，再在第一铬层上沉积300纳米厚的铂层。
步骤S4，通过低压化学气相沉积法在第一介质层上沉积厚度为1～2微米的第二介质层；
第二介质层的材料为氮化硅或二氧化硅与氮化硅的混合物。
步骤S5，在第二介质层上制备300纳米厚或500纳米厚的铂层以形成气流感应温敏电阻4，通过lift-off方法洗去多余的面积，气流感应温敏电阻4包括往复盘绕的气流感应温敏电阻丝41以及用于压焊的第二压焊图形42，气流感应温敏电阻丝41与第二压焊图形42串联；
在第二介质层上制备铂层可以采用磁控溅射的方法或电蒸的方法，当采用磁控溅射的方法制备铂层时，先在第二介质层上溅射一层厚度不大于30纳米的钛，形成第二钛粘合层，然后在第二钛粘合层上溅射一层厚度为500纳米的铂；当采用电蒸的方法制备铂层时，先在第二介质层上蒸发沉积15纳米厚的第二铬层，再在第二铬层上沉积300纳米厚的铂。
步骤S6，利用氧气干法刻蚀刻穿二氧化硅层、第一介质层和第二介质层。
步骤S7，利用氧气干法刻蚀刻穿第一压焊图形32位置处的第二介质层，露出温漂校准温敏电阻3的第一压焊图形32。
步骤S8，利用湿法刻蚀刻穿二氧化硅层正下方的基底1，释放悬臂梁5。
图5中，图5(a)为制备第一介质层的示意图，图5(b)为制备温漂校准温敏电阻的过程示意图，图5(c)为制备第二介质层的示意图，图5(d)为制备气流感应温敏电阻的过程示意图，图5(e)为制作第一介质层、第二介质层上的第二通孔21的示意图，图5(f)为释放温漂校准温敏电阻的第一压焊图形32的示意图，图5(g)为刻蚀基底1上的第一通孔11的示意图。
上述制得的MEMS硅基温敏芯片通电发热时具有测量温度和流体流量的功能。
参考图6，本发明的实施例还提供了一种利用上述制得的MEMS硅基温敏芯片组装的气流流量计，该气流流量计的组装方式为：将两个结构尺寸一致的MEMS硅基温敏芯片以气流感应温敏电阻丝41镜面对称的方式平行相对，两个MEMS硅基温敏芯片之间放置300微米厚的PCB(Printed circuit board，印刷电路)板作为感应距离的隔板，该PCB板的主要材料为FR4和1oz的铜，其综合热导率约为9.11W/mK(其中FR4的电导率为0.2W/mK，铜的导热系数为20.9～400W/mK)，PCB板上开设穿孔，穿孔可以为边长为1微米～1.5微米的正方形或直径为1微米～1.5微米的圆形，两个MEMS硅基温敏芯片与PCB板上的穿孔平行，两个MEMS硅基温敏芯片上的第一压焊图形32和第二压焊图形42、与PCB板上的压焊图形通过导电银胶进行电气键合，该PCB板上可直接集成气流感应温敏电阻的电路和温漂校准温敏电阻的电路的信号读取。本发明的组装方案不仅可以保持两个MEMS硅基温敏芯片间300微米的有效感应距离，也可以直接起到信号读取电路的作用，这种组装方式避免了压焊引线(wirebonding)方案中引线易受外力断裂的风险，且由于MEMS硅基温敏芯片表面上阻热支撑层易受外力破裂而失效，这种组装方式可以很好的保护气流感应温敏电阻丝和阻热支撑层，并且，PCB板上复合材料的综合热导率较低，可以起到较好的热阻效果，避免了因热量在两接触芯片间传导而引起的测量误差，导热损失可减少92％～95％。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS硅基温敏芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过热氧法在基底的表面生长二氧化硅层；
S2，通过低压化学气相沉积法在所述二氧化硅层上形成第一介质层；
S3，在第一介质层上制备铂层以形成温漂校准温敏电阻，所述温漂校准温敏电阻包括第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述温漂校准温敏电阻丝与第一压焊图形串联；
S4，通过低压化学气相沉积法在第一介质层上沉积第二介质层；
S5，在第二介质层上制备铂层以形成气流感应温敏电阻，所述气流感应温敏电阻包括第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形串联；
S6，利用氧气干法刻蚀刻穿二氧化硅层、第一介质层和第二介质层, 制作第一介质层、第二介质层上的第二通孔；
S7，利用氧气干法刻蚀刻穿第一压焊图形位置处的第二介质层，露出温漂校准温敏电阻的第一压焊图形；
S8，利用湿法刻蚀刻穿二氧化硅层正下方的基底，释放悬臂梁。
2.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为1～2微米，所述第一介质层的厚度为1～2微米，所述第二介质层的厚度为1～2微米，所述第一介质层和第二介质层的材料为氮化硅或氮化硅与二氧化硅的混合物。
3.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片的制备方法，其特征在于，所述第一介质层上制备的铂层的厚度为300纳米或500纳米。
4.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片的制备方法，其特征在于，所述第二介质层上制备的铂层的厚度为300纳米或500纳米。
5.利用权利要求1所述制备方法制备的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，所述基底包括实体部分和第一通孔，所述第一通孔位于实体部分的中部，所述阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，所述阻热支撑层位于基底的上方，位于基底的实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，所述温漂校准温敏电阻包括用于压焊的第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述第一压焊图形和温漂校准温敏电阻丝串联，所述第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，所述温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻包括用于压焊的第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述第二压焊图形和气流感应温敏电阻丝串联，所述第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于基底的第一通孔的上方。
6.如权利要求5所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，所述基底为单晶硅晶圆，所述基底的厚度为300微米。
7.如权利要求5所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，位于所述基底的第一通孔的上方的阻热支撑层上设有若干第二通孔而形成悬臂梁，所述悬臂梁包括四个悬臂，所述悬臂的形状为长宽比大于1的L型或圆心角为90度的圆弧。
8.如权利要求5所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，所述温漂校准温敏电阻丝和第一压焊图形由铂制得，所述温漂校准温敏电阻丝的阻值为600～1000欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/oC，所述第一压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。
9.如权利要求5所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形均由铂制得，所述气流感应温敏电阻丝的阻值为200～300欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/oC，所述第二压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。
10.一种气流流量计，其特征在于，包括利用权利要求1至4任一项所述的制备方法制备的MEMS硅基温敏芯片或权利要求5至9任一项所述的MEMS硅基温敏芯片，所述MEMS硅基温敏芯片的数量为两个且结构尺寸一致，所述两个MEMS硅基温敏芯片之间放置300微米厚的PCB板作为感应距离的隔板，所述PCB板上开设穿孔，两个MEMS硅基温敏芯片以第一压焊图形、第二压焊图形通过PCB板上的穿孔电气键合的方式平行相对。
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